徐 瑞 王新琨 曹建軍 李 健 任啟寒

(1、淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北235000 2、瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037 3、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037)

瓦斯災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)中最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施。研究表明，大孔徑定向長鉆孔抽采技術(shù)可有效地改變了采空區(qū)瓦斯流場，減弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度，具有瓦斯抽采濃度高，抽采系統(tǒng)運行費用低，綜合治理效果好，且經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢，近年來隨著大孔徑定向長鉆孔施工設(shè)備及工藝技術(shù)的改進(jìn)升級，其已逐漸成為安全高效解決工作面瓦斯災(zāi)害的一項重要技術(shù)。隨著開采深度增加，礦井的瓦斯地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，為大孔徑定向長鉆孔施工帶來諸多難題，鉆孔施工完畢后由于孔內(nèi)塌孔造成瓦斯無法抽出的問題時有發(fā)生。以鄒莊煤礦32 煤層為研究對象，對大孔徑長鉆孔全程下篩管護(hù)孔技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究，有效解決了大孔徑定向鉆孔成孔難題，提高了施工效率和瓦斯抽采效果。

1 工程概況

鄒莊煤礦3303 工作面主采32煤層，煤厚1.78m～3.20m，平均2.44m，煤厚變化不大，煤層較穩(wěn)定。工作面的地質(zhì)條件總體評價為中等，煤（巖）層的總體走向近北西- 南東，傾向北東。煤（巖）層傾角10～26°，平均為15°。

3303 工作面地質(zhì)構(gòu)造情況為中等，根據(jù)勘探資料和巷道實揭資料分析工作面施工范圍內(nèi)揭露的落差較大的斷層有5 條。煤層頂板為砂巖、泥巖，鉆孔布置在穩(wěn)定的砂巖內(nèi)。盡管鉆孔所處巖層巖性總體較為穩(wěn)定，但以往施工小孔徑頂板瓦斯抽采長鉆孔過程中，仍多次出現(xiàn)鉆孔垮孔、鉆孔堵塞現(xiàn)象，為了保證大孔徑頂板定向長鉆孔施工效率和抽采效果，需對大孔徑頂板定向長鉆孔施工和護(hù)孔技術(shù)進(jìn)行試驗研究。

2 定向鉆孔施工

2.1 定向鉆孔施工設(shè)備

2.1.1 定向鉆機(jī)選型

根據(jù)現(xiàn)有條件，試驗選用定向鉆機(jī)為ZDY12000LD 定向鉆機(jī)，能夠滿足定向鉆進(jìn)需要，鉆機(jī)扭矩達(dá)到12000N·m，給進(jìn)和起拔力達(dá)到250KN，具有一定的事故處理能力。

2.1.2 定向鉆頭選配

松軟煤層空氣螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)對鉆頭的碎巖能力和定向功能提出了特殊要求，一方面要求切削下來的煤屑顆粒較小易于被壓風(fēng)排出，另一方面要求鉆頭具有可配合螺桿馬達(dá)進(jìn)行開分支定向功能。Φ113mm 液驅(qū)螺桿馬達(dá)用定向鉆頭，以及Φ108mm 可開閉鉆頭，均出現(xiàn)了憋風(fēng)不返渣現(xiàn)象，分析原因為這2 種鉆頭共同特點是只有一個大水口，空氣馬達(dá)鉆進(jìn)提供的壓風(fēng)壓力也不高，鉆頭部位容易被煤粉堵塞。

根據(jù)鉆進(jìn)需要，設(shè)計專用大通孔水便，配備大通孔高壓膠管；考慮排渣要求，靠鉆頭位置設(shè)計了螺旋短節(jié)；為了滿足冷卻潤滑要求，配備了冷卻潤滑裝置；另外，為了觀測鉆進(jìn)供風(fēng)參數(shù)，安裝了流量計用于流量和風(fēng)壓監(jiān)測。

2.2 空氣定向鉆進(jìn)工藝方法

空氣螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)不同于液動馬達(dá)定向鉆孔施工，在軟煤或破碎巖層鉆進(jìn)過程中，由于煤巖體松軟破碎、鉆渣較多，為保證排渣和成孔效率采用旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)與滑動定向鉆進(jìn)相結(jié)合的方式。其中以旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)方式為主、滑動定向為輔。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)

供風(fēng)后待孔口正常返風(fēng)、螺桿馬達(dá)正常運轉(zhuǎn)時，開始回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆機(jī)帶動鉆桿回轉(zhuǎn)同時，孔內(nèi)壓風(fēng)驅(qū)動空氣螺桿馬達(dá)運轉(zhuǎn)從而帶動鉆頭回轉(zhuǎn)。此時，在整體式螺旋鉆桿螺旋翼片或螺旋鉆桿攪動作用下，提高排渣效果，確?？變?nèi)暢通。

2.2.2 滑動定向鉆進(jìn)

當(dāng)鉆孔偏離設(shè)計軌跡時，可采用滑動定向鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)施工，即通過調(diào)整螺桿馬達(dá)朝向來進(jìn)行軌跡調(diào)整或糾偏。定向糾偏完成后，則停止滑動定向鉆進(jìn)，更換回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)。滑動定向過程中，每定向鉆進(jìn)3m，回轉(zhuǎn)掃孔排渣，然后繼續(xù)定向再回轉(zhuǎn)掃孔，如此反復(fù)，保證孔內(nèi)順暢和施工安全。

2.3 定向鉆孔施工參數(shù)

2.3.1 施工參數(shù)

根據(jù)“三帶”理論和瓦斯擴(kuò)散－滲流理論的研究成果以及煤礦瓦斯防治的實踐經(jīng)驗，將定向長鉆孔選擇在采動斷裂帶內(nèi)的布孔方式，鉆孔保直階段位于32 煤層頂板20m 范圍內(nèi)，鉆孔距離風(fēng)巷平距分別10m、20m、50m。定向鉆孔施工參數(shù)見表1，其中1#、2#孔為小孔徑定向長鉆孔，4#孔為大孔徑定向長鉆孔。

2.3.2 施工情況

表1 定向鉆孔施工參數(shù)

a.鉆孔開孔。鉆孔回轉(zhuǎn)開孔時，回轉(zhuǎn)速度不超過20 轉(zhuǎn)/分鐘，確保鉆孔在前期成孔時傾角、方位等參數(shù)不發(fā)生變化，后期測量數(shù)據(jù)與設(shè)計基本無偏差。

b.鉆孔定向進(jìn)尺。鉆孔回轉(zhuǎn)開孔后，采用Φ120mm 鉆頭加泥漿脈沖設(shè)備定向鉆進(jìn)，6 個圓班2 個小班進(jìn)尺552 米，均班進(jìn)尺28 米，鉆進(jìn)至終孔提鉆擴(kuò)孔。定向鉆進(jìn)時，確保鉆孔無大角度上、下山及負(fù)角度；每組定向進(jìn)尺后及時沖孔，排凈鉆內(nèi)巖粉，增強(qiáng)鉆孔測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)鉆孔全彎曲強(qiáng)度較大的位置，標(biāo)識清楚，擴(kuò)孔時采用多次來回掃孔，從而確保鉆孔下篩管的順暢性。

表2 大孔徑定向鉆孔與普通鉆孔施工工期

c.鉆孔擴(kuò)孔、沖孔。鉆孔施工結(jié)束提鉆后，使用Φ153mm 導(dǎo)向鉆頭（導(dǎo)向120mm）及變徑擴(kuò)孔至終孔孔深，用時8 個小班，均班進(jìn)尺69 米?？卓谑褂忙?93mm 鉆頭擴(kuò)孔26 米。使用Φ153mm 導(dǎo)向鉆頭擴(kuò)孔時，對于全彎曲強(qiáng)度變化較大的測段，擴(kuò)孔時采用多次來回掃孔，確保鉆孔光滑。

鉆孔擴(kuò)孔后，在提鉆期間，每提30 米鉆桿對鉆孔進(jìn)行沖孔，確保鉆孔內(nèi)巖粉排干、排凈。對于全彎曲強(qiáng)度變化較大的測段，提鉆時多次來回掃孔，并長時間沖孔，確保鉆孔光滑、干凈。

圖1 4#大孔徑定向鉆孔平、剖面圖

鄒莊煤礦3303 工作面定向高位鉆場，大孔徑4#號孔設(shè)計開孔傾角18°，方位左偏21°。24 米至84 米為傾角連續(xù)變化段位，84 米至141 米為方位連續(xù)變化段位。這兩段鉆孔段位全彎曲強(qiáng)度較大，故定向施工結(jié)束，采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝，從而確保鉆孔孔壁光滑。設(shè)計總孔深531 米，實際施工總孔深552 米。其它段位傾角、方位非常平穩(wěn)，無較大的變化。4#大孔徑定向鉆孔平、剖面圖如圖1 所示。

3 篩管護(hù)孔技術(shù)

大孔徑定向鉆孔施工完成后，為保證鉆孔成孔效果，通過更換夾持器及回轉(zhuǎn)器卡瓦，采用鉆機(jī)夾持推送方法全程向孔內(nèi)放入Φ108mm 鋼篩管。下篩管總深度521 米，4 個小班完成，均班下篩管130 米。由于篩管過于笨重，需4～6 人分兩側(cè)將篩管對絲至無松動現(xiàn)象，安裝篩管確保篩管絲扣上滿，依次循環(huán)，直至結(jié)束。下篩管結(jié)束后，孔底下Φ146mm 變127mm 套管2m，并將囊袋綁于127mm 套管處，防止下套管期間將囊袋磨損，然后146 套管22m，總封孔長度24m，使用囊袋“兩堵一注”注漿固管，注漿量0.75t，穩(wěn)壓1.2MPa，最后進(jìn)行合茬抽放。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

1#號鉆孔實鉆孔深540 米，下篩管深度536 米；2#號鉆孔實鉆孔深525 米，下篩管深度520 米；4#號鉆孔實鉆孔深552米，下篩管深度511.5 米。通過對比可知，1#號孔和2#號孔、4#號孔施工總用時分別為400 小時（16 天16 小時）、272 個工時（11 天8 小時）。4#號孔相比較1#號孔和2#號孔總用時節(jié)省了128 小時（5 天8 小時），總用時減少了32%（表2）。

5 結(jié)論

根據(jù)“三帶”理論，結(jié)合工作面的實際情況，分析確定了頂板大直徑定向鉆孔的鉆孔保直階段位于32煤層頂板20m 范圍內(nèi)。對大孔徑定向長鉆孔施工設(shè)備進(jìn)行了選型，對鉆孔鉆進(jìn)工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)場施工效果良好。通過對比分析同等條件下大孔徑頂板定向鉆孔與普通頂板定向長鉆孔施工的人力成本及工期成本，大孔徑頂板定向長鉆孔用于治理回采工作面瓦斯效率更高。